擴(kuò)散型氫計(jì)系統(tǒng)在中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的實(shí)際應(yīng)用研究

李高峰,段天英,姚 婷,裴志勇,劉尚波,馬崇揚(yáng),武 祥

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

快堆核電站中,蒸汽發(fā)生器 (SG)管路長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫、高壓、鈉環(huán)境的惡劣條件下,傳熱管泄漏事故在世界上現(xiàn)有的快中子反應(yīng)堆上屢有發(fā)生。四座原型快堆 (法國(guó)鳳凰快堆、英國(guó)唐瑞PFR快堆、蘇聯(lián)BN-350和BN-600快堆)均發(fā)生過(guò)不同程度的SG傳熱管泄漏事故[1]。

CEFR中如果SG傳熱管壁出現(xiàn)裂縫,泄漏的高壓水/蒸汽向鈉側(cè)噴射,將發(fā)生劇烈的鈉水反應(yīng),反應(yīng)時(shí)鈉水反應(yīng)區(qū)附近的溫度、壓力急劇升高,釋放大量的熱量,使腐蝕擴(kuò)大,對(duì)SG管束造成破壞,嚴(yán)重時(shí)可破壞SG的完整性[2]。

目前,探測(cè)鈉冷快堆SG微小泄漏的主要方法有微氫探測(cè)和聲學(xué)泄漏探測(cè)技術(shù)。微氫探測(cè)技術(shù)探測(cè)靈敏,但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng);聲學(xué)泄漏探測(cè)技術(shù)響應(yīng)時(shí)間短,但泄漏信號(hào)往往淹沒(méi)在背景噪聲之中。微氫探測(cè)技術(shù)主要設(shè)備:擴(kuò)散型氫計(jì)和電化學(xué)氫計(jì)。我國(guó)自主研發(fā)的擴(kuò)散型氫計(jì)系統(tǒng)是CEFR在線監(jiān)測(cè)SG微小泄漏的關(guān)鍵設(shè)備。

1 CEFR氫計(jì)系統(tǒng)簡(jiǎn)介和氫來(lái)源分析

1.1 CEFR擴(kuò)氫計(jì)系統(tǒng)布置圖

如圖1所示,中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆二回路共安裝有8臺(tái)擴(kuò)散型氫計(jì),對(duì)二回路鈉中氫含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 CEFR擴(kuò)散型氫計(jì)布置圖Fig.1 The layout of diff usion-type hydrogen meters in CEFR

1.2 鈉冷快堆SG中鈉側(cè)氫來(lái)源及溶解特性

1.2.1 鈉冷快堆SG中鈉側(cè)氫來(lái)源

鈉冷快堆中通過(guò)測(cè)量鈉水反應(yīng)產(chǎn)生的氫可以推測(cè)出SG換熱管發(fā)生泄漏的程度,SG中鈉側(cè)氫主要來(lái)源有:

1)三回路水中H透過(guò)SG換熱管向Na中的擴(kuò)散;

2)蒸汽發(fā)生器換熱管泄漏鈉水反應(yīng)產(chǎn)生的H;

正常運(yùn)行時(shí),三回路加氨及工況變化同樣會(huì)引起二回路鈉中氫含量進(jìn)一步升高。

1.2.2氫在鈉中溶解特性

氫氣溶解于液態(tài)鈉中時(shí)離解為氫負(fù)離子,氫氣過(guò)量時(shí),將析出固態(tài)Na H。液態(tài)鈉中氫濃度即為該溫度下氫的溶解度。該過(guò)程可用如下方程描述[3]:

Na(l)+1/2 H2(g)?Na H(s)

氫在鈉中的溶解度隨鈉溫的不同而不同,在鈉溫低于250℃時(shí),氫幾乎不溶于鈉中。當(dāng)鈉溫逐漸升高至400℃時(shí),氫幾乎可全部溶于鈉中。

圖2 氫在鈉中的溶解度隨溫度變化曲線Fig.2 The curve of the solubility of hydrogen in sodiu m varied wit h te mperature

2 擴(kuò)散型氫計(jì)在CEFR的實(shí)際應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析

2.1 CEFR停堆及低功率期間氫計(jì)運(yùn)行特性

CEFR兩條二回路的鈉各有大約21 t液態(tài)鈉,分別由各自的二回路冷阱凈化氫、氧、鐵等雜質(zhì),目前CEFR二回路冷阱冷點(diǎn)溫度穩(wěn)定在120℃,在停堆或低功率啟動(dòng)時(shí),氫計(jì)所探測(cè)到的氫濃度值為冷阱冷點(diǎn)溫度為120℃條件下的鈉中溶解氫本底值0.065μg/g。

2.2 升功率至100%Pn氫計(jì)響應(yīng)特性

(1)低功率下氫計(jì)響應(yīng)特性

首先，了解鐵路勘察設(shè)計(jì)院的戰(zhàn)略定位和不同發(fā)展階段對(duì)總體人力資源配置提出的不同要求。如面對(duì)鐵路市場(chǎng)的變化，應(yīng)對(duì)城際鐵路、市域鐵路、旅游觀光鐵路、磁浮鐵路等細(xì)分市場(chǎng)，海外市場(chǎng)和非鐵路市場(chǎng)對(duì)總體的需求，予以前瞻性的考慮；其次，對(duì)現(xiàn)有的總體人力資源、未來(lái)能夠獲取的總體數(shù)量、質(zhì)量、層次結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，據(jù)此制定總體人力資源管理與開(kāi)發(fā)的總體計(jì)劃和分階段、分部門(mén)的配置方案；第三，對(duì)總體人力資源計(jì)劃的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行考核評(píng)估，適時(shí)調(diào)整計(jì)劃或糾正執(zhí)行偏差，確保規(guī)劃符合企業(yè)各階段戰(zhàn)略目標(biāo)的要求。

SG進(jìn)水后在延遲大約40 min,鈉中取樣氫計(jì)探測(cè)氫濃度有明顯上升,Ⅰ環(huán)路探測(cè)鈉中氫含量從本底水平上升至0.015 mg/L,Ⅱ環(huán)路探測(cè)鈉中氫含量從本底水平上升至0.024 mg/L;低功率階段,二回路鈉溫相對(duì)較低 (＜400℃),氫在鈉中溶解度低,大部分氫逸散到鈉緩沖罐氬氣腔中,氬氣取樣氫計(jì)相對(duì)鈉中取樣氫計(jì)具有更短的響應(yīng)時(shí)間。

(2)9.5%Pn～14%Pn氫計(jì)響應(yīng)特性

CEFR提升功率9.5%Pn(額定功率)～14%Pn時(shí),SG內(nèi)由鈉-水工況轉(zhuǎn)變?yōu)殁c-汽水工況,SG內(nèi)產(chǎn)生大量的水蒸氣及少量氫氣、高溫水汽與換熱管壁少量Fe接觸發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣,將會(huì)引起SG鈉側(cè)氫分壓進(jìn)一步升高。

對(duì)比多次SG汽水轉(zhuǎn)換工況,氫計(jì)響應(yīng)曲線具有很好的一致性,并且鈉中氫含量在SG汽水轉(zhuǎn)換工況時(shí)有明顯的上升 (氫增量ΔC≈0.03×10-6),達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定狀態(tài);而氬氣中氫在SG啟動(dòng)工況時(shí)即達(dá)到高含量并趨于穩(wěn)定。

(3)40%Pn功率運(yùn)行氫計(jì)響應(yīng)特性分析

從SG出口鈉中氫計(jì)和緩沖罐覆蓋氣體氫計(jì)響應(yīng)曲線 (如圖3和圖4所示),可以看出從SG第一次進(jìn)水,至40%Pn額定功率運(yùn)行期間,由于三回路側(cè)氫的不斷滲透擴(kuò)散,氫計(jì)探測(cè)氫濃度值明顯上升,緩沖罐氬氣中氫濃度在蒸發(fā)器完成汽水轉(zhuǎn)換后達(dá)到較高水平,后續(xù)呈平穩(wěn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。鈉中氫濃度在隨著功率提升當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡到達(dá)一定峰值后保持在穩(wěn)定的水平,二回路鈉緩沖罐氬氣腔里氫濃度值明顯高于蒸發(fā)器出口鈉中氫濃度值。

圖3 升功率至40%Pn鈉中取樣氫計(jì)響應(yīng)曲線Fig.3 The response curve of the sa mpling hydrogen meter in sodiu m when ascending power up to 40%Pn

圖4 升功率至40%Pn氬氣中取樣氫計(jì)響應(yīng)曲線Fig.4 The response curve of the sa mpling hydrogen meter in argon when ascending power up to 40%Pn

分析多次反應(yīng)堆額定功率運(yùn)行氫計(jì)響應(yīng)特性,鈉中和氬氣中氫計(jì)具有較高的靈敏度,在SG啟動(dòng)工況探測(cè)氫含量有明顯上升,鈉中氫含量受蒸汽發(fā)生器工況變化及二回路鈉溫影響比較大,在14%Pn完成汽水轉(zhuǎn)換后鈉中氫含量達(dá)到穩(wěn)定值 (＜0.17×10-6),而氬氣中氫含量隨著反應(yīng)堆功率提升緩慢增加,在達(dá)到較高功率水平(＞75%Pn)后,探測(cè)氫含量趨于穩(wěn)定。

圖5 升功率至100%Pn鈉中取樣氫計(jì)響應(yīng)曲線Fig.5 The response curve of the sa mpling hydrogen meter in sodiu m when ascending power up to 100%Pn

圖6 升功率至100%Pn氬氣中取樣氫計(jì)響應(yīng)曲線Fig.6 The response curve of the sampling hydrogen meter in argon when ascending power up to 100%Pn

2.3 氫計(jì)長(zhǎng)期停運(yùn)后的數(shù)據(jù)甄別

當(dāng)SG氫計(jì)系統(tǒng)由于失去廠外電試驗(yàn)等造成該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)時(shí),由于作為系統(tǒng)維持真空的離子泵停運(yùn),而取樣支路里的氫還會(huì)不斷擴(kuò)散到真空系統(tǒng),使真空側(cè)氫分壓高于正常值,當(dāng)氫計(jì)系統(tǒng)再次重啟后,系統(tǒng)探測(cè)到的氫濃度值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。

圖7 失去廠外電后鈉中2號(hào)氫計(jì)響應(yīng)曲線Fig.7 The response cur ve of 2#hydrogen meter in sodiu m after loss of offsite power

由圖7氫計(jì)響應(yīng)曲線可得,氫計(jì)在停運(yùn)后重啟的短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)明顯的氫濃度峰值,超SG小泄漏報(bào)警閾值,而在該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行1 h左右,由于離子泵的不斷吸附,真空側(cè)積聚的過(guò)多氫被吸附到正常水平,系統(tǒng)探測(cè)到的氫濃度值可恢復(fù)到系統(tǒng)報(bào)警之前的探測(cè)水平。

停堆后由二回路兩臺(tái)冷阱分別對(duì)二回路兩條環(huán)路鈉中的Na2O、Na H、Fe等雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾去除,通過(guò)凈化可以提高氫計(jì)監(jiān)測(cè)靈敏度,保持對(duì)SG微、小泄漏的及時(shí)響應(yīng)。由圖8中氫計(jì)響應(yīng)曲線可知,停堆后,鈉中氫含量逐漸降低至本底水平,由于二回路鈉緩沖罐作為二回路主冷卻系統(tǒng)循環(huán)的最高點(diǎn),而氬氣中氫含量由于無(wú)法通過(guò)冷阱凈化去除,同時(shí)鈉溫降低后氫在鈉中溶解度下降,鈉中氫向氬氣中擴(kuò)散,導(dǎo)致氬氣中氫含量短時(shí)間有逐步上升的趨勢(shì),并長(zhǎng)時(shí)間維持在較高水平。

3 結(jié) 論

根據(jù)擴(kuò)散型氫計(jì)系統(tǒng)在中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的實(shí)際應(yīng)用效果及存在問(wèn)題分析,可得到如下結(jié)論及建議。

1)得到在SG啟動(dòng)工況時(shí),SG未發(fā)生泄漏時(shí),鈉中氫計(jì)在SG進(jìn)水后40～60 min探測(cè)氫有明顯變化。

2)擴(kuò)散型氫計(jì)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)為首次工程應(yīng)用,其報(bào)警特性、小泄漏的甄別方法尚為空白。通過(guò)本文研究可知,蒸發(fā)器小泄漏甄別不能按照固定閾值進(jìn)行判斷,必須經(jīng)由調(diào)試過(guò)程中結(jié)合具體工況的不同參數(shù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的總結(jié)分析,才能獲得不同工況下有效的小泄漏判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3)氫計(jì)長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn),由于取樣支路中氫的不斷擴(kuò)散,氫計(jì)再次重啟后探測(cè)氫濃度出現(xiàn)一個(gè)峰值,正常穩(wěn)定運(yùn)行1～2 h可恢復(fù)正常。

4)停堆后鈉中氫可以通過(guò)冷阱去除;由于擴(kuò)散到二回路鈉緩沖罐氬氣腔中的氫無(wú)法凈化去除,并且在停堆期間,二回路鈉中含有的部分H2/H+還將繼續(xù)隨鈉的流動(dòng)擴(kuò)散入氬氣空間,造成氬氣中氫濃度一直升高。

5)每次停堆后應(yīng)該對(duì)鈉緩沖罐氬氣腔進(jìn)行氣體置換,這樣可以降低由于氬氣中氫含量過(guò)高導(dǎo)致的SG小泄漏誤報(bào)警概率。

圖8 停堆后鈉中、氬氣中氫計(jì)響應(yīng)曲線Fig.8 The response curve of the hydrogen meter in sodiu m and argon after shutdown